一种智能材料--电流变液


自然界中液体和固体是有明显区别的两种物质形态。水、油是液体,可以四处流动。石头、木材是固体,有固定的形状。同一种物质在外部条件的变化下,可以从一种物质形态变化到另一种物质形态,例如水,当温度在零摄氏度以上是液体,在零摄氏度以下就会结冰,变成固体。那么,能不能发明一种材料,通过一种媒介作用使它能在液体与固体之间自由转换,分别具有两者的优点呢?

现在,有一种称为“电流变液”的东西,正扮演着这种新型材料的角色。通电时,它的粘度随外电场增加而变稠,从液体向固体演变,当电场足够大时,整个体系表现出类似固体的特征。当去掉外加电场时,它又由固态重新恢复到原有的液态。由于这种材料可以在电场作用下在液态和固态之间转换,故被称为电流变液。由于电场可由电脑操纵,因此可变态的电流变液又被称为智能材料。

电流变液是一种由介电微粒与绝缘液体混合而成的复杂流体。在没有外电场时,它的外观很像机器用的润滑油,一般由基础液、固体粒子和添加剂组成。基础液可采用煤油、矿物油、植物油、硅油等经理化处理的物体构成,要具有绝缘性能好,耐高压,低粘度,在无电场作用下具有良好流动性这些性质;固体粒子是一种由纳米至微米尺度大小的具有高的、相对的介电常数和较强极性的微细物体组成。添加剂常用水、酸、碱、盐类物体和表面活性剂组成,其作用是增强悬浮液的稳定性和电流变效应。

在外电场作用下,电流变液中的固体颗粒获得电场的感应作用,首先在两极板间排成链,随电场进一步增强,链之间相互作用而聚集成柱,从而由液态进入固态。

近来电流变液组份获得不断改进,性能良好的电流变液在电场的作用下能产生明显的电流变效应,即可在液态和类固态间进行快速可逆的转化,并保持粘度连续。这种转变极为迅速,瞬时可控,能耗极小,因而可与电脑结合,实现实时控制。电流变技术在机械工程、汽车工程、控制工程领域的应用范围非常广泛。

电流变技术在汽车上最直接的应用是利用它在电场下粘度连续变化的特性制造汽车离合器装置,例如汽车自动变速器的离合器,就可以用电流变液取代传统的齿轮离合装置。传统的汽车自动变速器机械结构复杂,具有体积大,耗能高的缺点。如果改用电流变液制作的离合器来代替传统的齿轮离合装置,不仅体积可以大幅缩小,而且控制简单,只需控制电压就可达到调速的目的,届时只需在方向盘上设置几个调速按键就可解决换档。

电流变液作用下的离合装置原理是这样的:主动轴和从动轴之间充有电流变液。当外加电场为零时,主动轴不会带动从动轴转动;当电压逐渐增加时,电流变液的粘度会随之增加。当其粘度达到一定临界值时,主动轴带动从动轴转动。

由此可见,根据电流变技术的原理,构成液—机耦合的机制,可以设计出全新的汽车结构。根据这一原理,同样可以设计出新颖的汽车转向系统、汽车的减震装置、制动装置等。与传统的机械产品相比,具有设计简化、应用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、成本低、易于实现电脑控制的特点。电流变技术在汽车传动系统的重大创新将引发一场汽车技术革命。

曾生
2002年2月27日

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